半导体激光器及其应用开发项目申报书Word格式.docx
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项目完成后,申报国家发明专利3项;
省部级鉴定成果1项;
企业生产标准1项。
1.5项目预计总投资
1.6项目经济效益和社会效益
项目实施期内,销售收入年均增长高于立项前三年平均增幅。
项目完成实现产业化以后,将进行2kW激光器的批量产业化,力争达到年产系列激光器150台、系列焊接成套系统50台套以上的生产规模,提高高功率半导体激光器的制造水平,推广半导体激光器及成套加工系统在激光焊接机器人、有色金属激光焊接在国内的应用,加速湖北省在高功率半导体激光器及成套加工系统的发展。
本项目针对湖北激光产业短板,开发出新一代高功率半导体激光焊接装备,突破关键技术,实现产业化。
继续保持湖北激光技术及产业的国内领先地位,为湖北激光产业化提供源源不断的技术支持和人才支持,使湖北激光能够代表国家竞争力,具备国际竞争力。
有利于湖北激光企业走向国际化,提升“武汉·
中国光谷”的国际地位。
提高整个湖北激光行业技术水平,对于带动武汉光谷激光产业发展具有重要意义。
二、项目实施方案
2.1项目同类技术产品的国内外发展趋势与现状分析
激光技术及产业化是国家中长期发展规划20个重大专项之一“国家高技术产业化”的重要内容,本项目围绕激光产业中的关键性、基础性、带动性技术——高性能激光器件及系统集成的基础科学问题、工程应用开发及产业化进行系统研究,对我国未来高技术产业和国防建设具有“不受制于人”的重大战略意义和现实意义。
高功率半导体激光器的电-光转换效率高、寿命长、可靠性高、尺寸小、结构紧凑。
可以方便地与现有自动化机械加工系统集成设备,近几年发展迅速,其功率水平及光束质量等方面有了很大的提高,特别是在光束质量方面有了质的飞跃。
2.1.1国外发展动态及趋势
近年来,以德国、美国为代表,高功率半导体激光合束研究进展十分迅速。
通过空间、偏振和波长系列合束技术,基于激光列阵的光纤耦合半导体激光合束光源实现数千瓦甚至上万瓦输出,如图1所示。
应用于激光焊接、激光熔覆和表面硬化等加工领域。
国外许多公司正在研制高功率半导体激光器,现已出现2~8kW级商用产品,生产高功率半导体工业激光的国家主要集中在德国和美国,如德国的laserline、DILAS、trumpf、Rofin-Sinar等都已向市场提供了不同功率水平的半导体激光器。
德国Laserline研制的光纤输出半导体激光器模块功率最大可达15kW,功率为2kW的激光器,激光亮度可达50.7MW/cm2·
str。
美国Apolloinstrument使用传导冷却半导体激光阵列来进行光纤耦合,最高功率达到10kW,光纤芯径为1mm。
德国LIMO利用微透镜对激光阵列进行光束整形,将1,200W的激光耦合到200μm的光纤中(NA=0.22)。
德国DILAS利用mini-bar把500W的单波长激光耦合到200μm,NA=0.22的光纤中。
图1.半导体激光器应用范围
2012年1月,美国TeraDiode利用外腔光谱合束(SBC)将垂直叠阵进行光纤耦合,如图2所示。
图2光束合成示意图
目前它已经将2030W激光耦合到芯径50μm、NA=0.15的光纤中,对应BPP仅为3.75mm*mrad,其亮度达到了1,468MW/cm2*str,和光纤激光器及CO2激光器相近。
由于半导体激光波长短,更有利于被金属吸收,获得更大的加热效率(各种激光器焊接对比见表1)。
半导体激光可直接搭载于机器人上进行加工,也可用光纤传送,提高了设备的使用效率。
表1各种激光器应用于焊接的比较
2.1.2国内发展动态
我国在高功率半导体激光器产业化方面起步较晚,北京半导体所、北京工业大学、西安炬光科技、华中科技大学、武汉凌云光电科技等单位开展了高功率半导体激光器及其应用研究。
目前国产商品化半导体激光功率一般为4kW以下,主要以表面改性应用为主,而在高功率半导体激光器的光束质量方面和国际相比相差甚远。
北京工业大学利用光束整形、波分复用和偏振复用技术将垂直叠阵出射的664W激光耦合到600μm的光纤,NA为0.22,相当于亮度1.54MW/(cm2·
str);
长春理工大学通过激光准直、光束整形等技术将垂直叠阵出射的195W激光耦合到芯径400μm的光纤,NA为0.22,亮度也达到了1.0MW/(cm2·
长春光机所利用光束准直,光束分割重排和偏振合束技术将两个CS封装的半导体激光阵列耦合到芯径400μm,数值孔径NA=0.22的光纤,出光功率为55.8W[10];
北京凯普林公司(BWT)100μm芯径光纤出光功率可达50W;
西安炬光公司(Focuslight)的单bar光纤耦合模块出光功率可达40W,光纤芯径为800μm,NA=0.15。
从2001年起,武汉凌云光电致力于大功率半导体激光器的光纤耦合技术,在多巴条光束整形及光纤耦合方面获得了数项专利技术,并在2007年实现了高亮度的100微米光纤输出60W的产业化。
本项目针对湖北激光产业短板,开发出新一代高功率半导体激光焊接装备,突破关键技术,实现产业化,对于带动武汉光谷激光产业发展具有重要意义。
2.1.3国内外市场
随着半导体激光器成本的进一步降低,其在焊接、切割和各种热处理应用领域取代CO2激光、光纤激光器和其他固态激光器已成趋势。
因此,我国尽快发展半导体激光器的耦合与集成技术势在必行。
半导体激光器焊接机器人系统将取代其它激光传统焊接机器人,预计最大的应用市场是汽车工业、各种钣金件焊接、有色金属焊接等。
美国、德国最早将高功率半导体激光器用于汽车钣金件的切割、焊接,使汽车改型的周期从5年缩短到2年,美国三大汽车集团(通用、福特、克莱斯勒公司)、欧洲汽车制造公司(如RENAULT、VOLVO、AUDI、BENZ和BMW公司)生产线上采用激光焊接机器人。
德国从90年代初开始进行铝合金激光焊接研究,并成功地应用于欧洲空中客车A340飞机的制造,实现了激光焊接取代传统铆接,被认为是飞机制造业的一次技术革命。
美国波音公司大量采用激光焊接(切割)机器人。
目前国内市场每年对千瓦级以上的半导体激光器成套加工系统的需求量在200台(套)左右,而且每年增长速度很快,若全部依赖进口,按每台200-300万元人民币计算,每年需花费约为4-6亿元。
实现国产化以后,设备整体价格只相当于国外设备的三分之一左右,因此具有很强的市场竞争能力。
2.1.4主要竞争对手情况
(1)德国竞争对手
德国LIMO公司DIOCUT系统和激光二极管阵列激光器系统用作不同材料的激光熔覆、有氧切割。
使用1.3kW和2kW二极管激光器系统,结果表明使用22mm*mrad光束质量在适当的速度下可以得到很好的切割边缘。
例如,4mm厚的铝板和钢板熔覆切割时平整度在10m以下。
二极管激光器的一个巨大优势是激光源具有很高的光电转换效率。
和光纤激光器相比,工作8小时可以节省20%的用电量。
如图3所示,LIMO的2kW的二极管激光器装在19"
的工业柜中,包括二极管模块、二极管驱动、能量传输单元。
系统的主要部分--二极管模块,分为四个子模块和一个波长耦合模块。
每一个子模块产生一个约600W的不同波长的光。
共有808nm、915nm、940nm、980nm四种波长的光,进一步通过波长合束,接着耦合到工业光纤中。
系统装备一个LLK-B工业高功率连接器:
NA0.20的200m光纤或者NA0.12的400m光纤。
整个系统包括冷却的转换效率是30%。
使用HIGHYAG公司的带中断和插件检测性能的LLK-B的工业光纤连接YK52、HIGHYAG的加工头。
图32kW二极管激光器系统
(2)美国竞争对手
从半导体激光器中得到的多波长光束的合成能得到高的激光输出和高亮度。
2012年1月,美国TeraDiode报导说在“西部光电”合成了2千瓦的激光输出。
证明了直接半导体多波长光束合成能产生高亮度的激光光束,其效果和使用最好的光纤激光器做实验是一样的,这使得它更加有利于工业生产。
TeraDiode希望能在2012年以前将半导体多波长光束的合成进行商业化。
这个想法是建立在多波长模块基础上的,它能传输500瓦的连续波长激光并且能被集成,从而产生6千瓦的功率。
在最近一次由DARPA支持的实验中,证实了BPP=0.6mmmrad的二极管模块能产生360瓦的输出功率。
产品的光学乘积参数为2到8,这主要是应对切割和焊接市场的要求。
由这种技术产生的激光的光束亮度与工业光纤激光器和CO2激光器相当,是标准高功率半导体激光器的10~100倍。
如图4所示,在tiled-aperture相干光束合成过程中,光束聚焦成一个单一光束覆盖整个目标光圈,这个单一光束有中央峰和旁瓣。
在穿过孔径相干光束合成过程中,光束先进行一个单一的光学聚焦,然后通过衍射光学元件。
每一个输入光束会被重新定向,达到光束合成,同时有一些残留的光变成损失逸出。
图4合成光束输出
(3)国内半导体激光器的竞争
国内半导体激光器产业发展迅速,西安、北京、长春、上海、深圳等地半导体激光产业异军突起,给我省激光产业的发展带来了巨大挑战,只有尽快开发新产品才能使湖北激光产业在新一轮市场竞争中立于不败之地。
总之,提高半导体激光器亮度是高功率半导体激光器发展的重要方向。
2.2项目主要任务
本项目开发的高功率半导体激光可用光纤传输进行柔性加工、灵活性、高可靠性、高效率,在激光焊接领域能发挥重要的作用。
2.2.1研究内容
本项目主要由激光器、焊接机器人系统等组成。
攻克2kW高光束质量半导体激光器的堆栈设计、微光学阵列、激光合成、光束变换、聚焦光学、系统冷却、激光焊接等关键技术。
突破半导体激光器光束质量难题。
主要研究内容如下:
(1)基于使用多巴条或二维堆栈作为激光发射源,研发所需的光束整形技术;
(3)光纤耦合传输与聚焦研究。
将输出激光耦合到特定芯径和数值孔径的光纤中,与输出光束的能量分布相适应的高功率激光光纤传输系统。
(4)成套焊接系统的研制。
激光焊接机床、专用夹具、驱动与系统控制,建立半导体激光器及其焊接系统的产品标准。
2.2.2整体研究思路
通过对半导体激光(LD)二维堆栈整形、偏振合束、波长合束及光纤耦合等技术的研究,开发出适应多种工业加工应用的自动化机器装备。
(1)通过LD二维堆栈的排布设计,结合快慢轴的微光学阵列和梯形反射镜阵列的去暗区的设计,得到在两个相互垂直的方向上具有BPP对称性且BPP不大于25mmmrad、P=500W的线偏振模块。
(2)使用偏振相互垂直的两个线偏振模块,通过偏振合束器,得到P=900W、BPP优于25mmmrad的单波长输出模块。
(3)以波长合束的方式对3个波长(810nm、915nm、980nm)的准直模块进行合束,得到P=2500W,BPP优于30mmmrad的合束光。
(4)将合束之后的激光耦合到600μm/0.11的光纤中,得到P=2000W的光纤耦合输出。
(5)将上述模块集成到激光焊接系统,推出演示样机,研发金属焊接工艺及焊接演示。
(6)形成产品标准。
上述中,关于实现2000W、600m/0.11的光纤输出模块,为本项目的关键技术。
技术路线如下图5和图6所示.
图5方案、结构示意图
图6技术路线框图
2.2.3关键技术
(1)光束质量对称的高功率二维堆栈的设计和封装
常用得到数百瓦以上高光束质量的半导体激光输出的思路有两种。
一种是基于常规封装的二维堆栈,在快慢轴准(去除死区)之后,使用复杂的光学整形系统进行整形重排,使得快慢轴的光束质量对称。
困难是所需的整形重排系统非常复杂,难以加工,且体积庞大、调节困难。
另一种思路是使用多个独立的巴条,各自辅以整形重排系统,再进行合束。
此系统依然存在器件过多、体积庞大、调节困难等弱点。
可见,光学整形重排往往是制约的关键因素之一。
为什么需要光学重排整形?
因为常规的一维巴条和二维堆栈光束质量快慢轴严重不对称,整形的目的是改善差的方向,最佳效果是通过光学重排达到快慢轴对称。
光学整形重排固有的问题包括设计复杂、加工困难、损耗大、成本高、影响长期稳定性。
那么,可不可以避开光学重排整形?
可以!
这是本设计的关键技术和创新点之一。
在本方案中,在二维堆栈的设计时直接考虑光束质量快慢轴对称性,加上合适的准直光学系统,再辅以独立的光学去死区模块,即可得到光束质量对称的高功率高光束质量的二维堆栈。
摒弃了复杂的光学整形重排系统,只需要合适的光学准直辅以合适的快轴去死区光学系统。
本项目的首要目标是设计出快慢轴方向的光束积参数不大于25mmmrad的、波长980nm的500W半导体激光二维堆栈。
由图7所示的典型一维巴条和二维堆栈的结构图可知,单个半导体激光单元在快轴和慢轴方向上的光束积参数分别为:
(a)(b)
图7典型的(a)一维巴条和(b)二维堆栈结构示意图
一般来说,结合常用的快慢轴准直阵列,或辅以快轴去死区光学模块,快轴去死区的效率可达70%,慢轴去死区效率大于60%,即
=70%
=60%
因此,所需要的巴条数n为:
(条)
每个巴条所含的半导体激光单元数m为:
(个)
因此,可以得到如图8所示的结构设计。
即使用56个相距1.8mm的一维巴条,每个巴条含有2个发光长度为150m、间距500m的半导体激光单元,结合常规的、非球面设计的快慢轴准直去死区阵列,辅以快轴去死区光学模块,即可得到快慢轴的光束积参数都不大于25mmmrad的半导体激光二维堆栈。
图8光束质量对称的高功率二维堆栈的结构示意图
常见的上述单个半导体激光单元的发光功率
不小于5W,则此二维堆栈可输出的总激光功率为
W
可见,按照上述设计方法,可以方便地设计出光束积参数不大于25mmmrad的、波长980nm的560W半导体激光二维堆栈。
(2)去死区的二维透镜阵列和快轴去死区的梯形镜阵列
上述结构由相距1.8mm的56个巴条、每个巴条有两个相距500m的150m半导体激光单元组成。
巴条之间1.8mm为不发光区域,在快轴方向,称为“死区”;
每个巴条的两个半导体激光单元之间,有350m的区域也不发光,在慢轴方向,也称为“死区”。
对于该二维堆栈的总体光束质量,取决于在快、慢轴方向上的去死区的效果。
快轴去死区:
经过快轴准直透镜阵列后,每个发光单元的光得到充分的准直扩束,且两个相邻的发光单元的光经过准直扩束后正好衔接,中间再无暗区。
可见,如何设计快轴准直阵列是快速去死区效率的关键。
目前市面上出售的快轴准直柱面透镜的焦距一般在0.5-1.5mm,准直后的光束宽度约为0.7mm,并不能很好地去死区。
在本项目中需要使用高折射率材料结合非球面设计,设计出间距1.8mm、焦距2.5mm的柱透镜阵列,实现更好的快轴去死区效率。
图9设计合适的快轴准直镜阵列,实现快轴方向去死区
另一个方案,设计一个快轴去死区专用的梯形反射镜阵列,如图10所示。
该反射镜由多个45°
反射镜单元梯形排列组成。
每一个巴条发出的光在使用常规的快轴准直后,经相应的反射单元反射。
每个反射单元在光的出射方向上相邻,因而达到去死区的目的。
图10快轴梯形反射镜阵列去死区示意图
慢轴去死区:
在慢轴方向上,使用市场上常规的、焦距约为2mm左右的、相邻间距为500m的柱透镜阵列,即可达到较好的准直去死区效果。
如图11所示。
图11慢轴准直去死区原理示意图
由上述分析可以看出,要达到很好的快慢轴准直去死区效果,需要焦距分别是2.5mm和2.0mm的快慢轴准直阵列。
由于焦距相似,最佳的方案是设计出一个整体的快慢轴准直模块,如图12所示。
图12快慢轴准直模块,可同时实现快轴慢轴的准直,有效去除死区
可见,本项目的第二个创新点是快慢轴准直去死区模块和快轴梯形反射镜阵列。
(3)偏振合束
使用偏振相互垂直的两个线偏振模块(P=500W,BPP=25mm.mrad),通过偏振合束器,得到P=900W、BPP=25mm.mrad的单波长输出模块。
如图13所示。
图13偏振合束得到单波长模块的原理示意图
(4)波长合束
本项目中,选取3个成熟的商用半导体激光波,分别为810nm、915nm和980nm。
使用波长耦合的方式,在光束质量不变的情况下,功率增大为单波长模块的3倍。
1)介质膜分色镜片合束
将通过整形准直后的单波长模块使用介质膜分色镜片进行合束。
具体要求和原理示意见图14所示
图14介质膜分色镜片合束的原理示意图
2)体光栅合束
2003年,CentralFlorida大学的LeonidB.Glebov等人发明了一种光热折变(PTR)无机玻璃(又叫光敏玻璃),这种玻璃在紫外具有光敏性,在近红外和可见光光谱段有高的透过率。
而且,这种玻璃有很好的机械属性和折射率稳定性。
这些特性使PTR玻璃上的体布拉格光栅(VBG)能承受高能激光的辐照,使它们成为高能激光光谱叠加的理想器件。
同年,IgorV.Ciapurin等人就用VBG实现了两路光谱合成。
布拉格光栅合束镜(BragGrate™Combiner)分为透射式和反射式两种,它可以对多种波长的激光进行和束。
在合束的同时激光的光束质量也会得到极大的提高。
BragGrate™Combiner具有出色的机械属性与反射率,不受温度影响,可以承受高功率激光照射,是激光合束的理想元件。
本项目中,我们将选用美国的BragGrate™Combiner。
合束原理如图15所示,其合束效率大于95%。
另外,苏州大学正在从事高效率的耦合用体光栅的研制,也将是我们的选择之一。
(a)
(b)
图15布拉格体光栅合束原理示意图。
(a)反射式;
(b)透射式
(5)光纤耦合光学
由于合束后光束在快轴方向和慢轴方向上的宽度和发散角不同,无法用一个球面镜进行很好地聚焦。
最好的方式是使用不同焦距的非球面设计的柱透镜,对两个方向分别聚焦,把输出光耦合到光纤中,如图16所示。
透镜表面镀宽带增透介质膜。
设计中两个关键的参数是聚焦点的大小和聚焦点的发散角:
焦点的大小必须小于光纤的芯径;
聚焦点的发散角必须不大于光纤的数值孔径。
由于聚焦点的大小和聚焦点的发散角的乘积体现的是光束质量,在透镜前后具有不变性,意味着聚焦后的发散角越大,则焦点越小。
因此,为了把光高效率的耦合到更细的光纤中,选择聚焦后的发散角和光纤的数值孔径相同。
如果光束最大尺寸为A,则要求透镜的焦距为A/(2tg)。
最好选用非球面透镜,可以减小像差,提高耦合光点的质量,达到提高耦合效率的目的。
为了提高耦合效率,减少光纤端面的菲涅尔反射引起的功率损失和可能的损坏隐患,光纤的输入输出端面同样镀宽带增透膜,同时进行水冷。
图16光纤耦合示意图
导光系统采用光纤耦合、传输和聚焦方式。
图17为一种大功率水冷光纤装置,该结构克服了大功率激光的热影响。
这种装置的特殊之处是在光纤耦合透镜1、输出端的准直透镜组与聚焦透镜组4、光纤两端处的周围设计有水套2。
从进口流入的水在水套中将激光对透镜、光纤产生的热带上,从出口流出。
同时,在光纤输入端设计一保护管3。
保护管与光纤间具有通保护气的空间。
在光纤的输出端,准直透镜组与聚焦透镜组的周围设有气套。
其与上述通保护气的空间相通,使保护气从喷嘴5喷出,吹在正在焊接的工件上,实现气体保护焊,同时防止了飞溅物对透镜的侵害。
图17大功率光纤装置结构图
另外,本项目也可以采用先波长合束、再偏振合束的方式,优点是较少地使用偏振合束器,如图18所示。
图18先波长耦合再偏振耦合的结构示意图
(6)电源驱动和温度控制
从激光器的使用安全性上来说,半导体激光器的驱动要避免尖冲、浪涌,以免对激光器造成击穿损坏;
同时需要温度稳定,温度升高和降低的幅度过大都会造成由于半导体材料、热沉材料及电极材料的热胀冷缩系数不同导致的机械损坏。
本项目将研制出基于功率反馈的高稳定性半导体激光驱动源,可以工作于连续和脉冲调制两种工作模式,消除电源开关时产生的尖冲,采取延时保护电路,所有其它电源器件在开关开启1秒后才进行接通。
通过电流控制电路控制开关电源输出到半导体激光器的电流。
用光电二极管对半导体激光器的实际输出功率进行功率采样并反馈到电流控制电路,通过实时电流的调节达到输出高稳定性的激光功率的目的。
通过控制接口对电流控制单元的控制,可以实现手动、TTL信号、模拟电压、RS232等多种控制方式。
高功率半导体激光器的冷却技术。
高功率半导体激光器对冷却的要求很高,这主要表现在两方面,一是对温度控制精度一般在±
0.2℃,二是对水质要求极高,水中不得含有杂质,必须使用去离子水,水的电导率不得高于2μS。
半导体激光器的寿命与有源区的温度有很大的关系,温度升高会导致激光波长漂移和功率下降。
高功率半导体激光器如果没有有效的散热措施,大量的废热产生会使器件根本不能工作。
采取并联的水路机构,冷却液同时对每一个bar进行冷却。
(7)半导体激光焊接机器人系统集成技术
半导体激光焊接机器人系统集成主要由2kW半导体激光器、焊接成套系统、焊接工艺等三部分组成。
项目整体技术方案如图19所示,整个系统的构成包括2kW半导体激光器、稳压电源、激光电源、冷却系统、光纤耦合传输与聚焦系统、气体保护装置、数控机床、焊接夹具、焊缝监视系统、激光器与加工机床的控制系统等。
图192kW半导体激光器及加工系统
本套系统包括适应高功率激光器的激光光纤传输系统,精确可调及快速定位的聚焦系统,行程为X轴800mm、Y轴500mm的焊接工作台和大幅面平板焊接的专用夹具及气体保护系统等部分构成。
该套系统可以较好的完成铝合金、钛合金对接拼焊,为以后的生产应用提供很好的基础。
其系统构成示意图如图20所示。
图20成套焊接系统构成示意图
激光焊接所用机床为传统的伺服电机配以高精度的滚珠丝杠驱动X、Y工作台的形式,机床的具体指标如
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- 半导体激光器 及其 应用 开发 项目 申报